地下结构抗震分析与设计的Pushover分析方法

在借鉴地上结构抗震分析的Pushover方法思想的基础上,提出一种适用于地铁等地下结构抗震分析与设计使用的Pushover分析方法.详细介绍该方法的实施步骤、基本功能与特点,给出适用于该方法的水平荷载分布形式与目标位移的确定方法.该方法能够反映土-结构之间的相互作用;能够进行结构在地震作用下的全过程分析,得到地下结构的能力曲线;目标位移求解原理简单,根据目标位移可以得到结构的地震反应,进而可以对结构在地震作用下的变形与内力进行评估;计算得到的结构能力曲线与地震波的选取关系不大,计算结果具有较好的模拟精度,从而避免对土-结构整体模型进行复杂的动力相互作用分析.结合实际工程与基于黏弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行对比研究,验证地下结构Pushover分析方法的可靠性与良好的模拟精度,可以用于地下结构的抗震分析与设计中.     

考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系静力推覆试验技术及其试验研究

地下结构静力推覆试验由于具有模型结构尺寸较大、应力水平可控等优点，适用于研究抗震性能问题。为了解决考虑土-结构相互作用的土-地下结构体系静力推覆试验过程复杂、费用昂贵的问题，研究了试验过程相对简单、可近似考虑土-结构相互作用的弹簧-地下结构体系静力推覆试验技术，通过引入弹簧单元模拟结构所受初始土压力及推覆过程中的土-结构相互作用，通过压缩模型两侧弹簧及施加竖向均布荷载以模拟结构所受初始土压力，通过限制模型底部水平位移，并在模型侧顶部作用水平推力将模型自初始状态推至破坏以模拟结构所受水平地震作用。以1995年日本阪神地震中破坏的Daikai车站为原型，制作几何缩尺比为1/5的模型，基于上述试验装置设计了详细的试验方案，开展弹簧-地下结构体系静力推覆试验以验证该试验方法的可行性。通过试验得到模型受力全过程剪力-层间位移能力曲线、模型结构裂缝发展部位及结构破坏形态，分析试验结果可知，在地震作用过程中，周围土体对地下结构的约束作用明显，周围土体的存在提高了地下结构的抗侧向倒塌能力，中柱是模型结构的薄弱构件。     

静力弹塑性分析方法在结构抗震设计中的应用

针对高层结构抗震设计现行的几种分析方法进行比较,得出静力弹塑性分析方法在结构抗震分析中相对于传统的静力及动力时程分析方法的优点,以期进一步推广静力弹塑性法的应用。     

静力弹塑性分析方法的介绍与应用

介绍了静力弹塑性分析方法的基本原理和分析过程。结合我国的抗震规范,以一栋学校教学楼为例,利用SAP2000程序对其进行静力弹塑性分析,综合评价了结构的抗震性能。结果表明静力弹塑性分析方法能够有效揭示结构在罕遇地震作用时的薄弱环节。     

基于MIDAS的某超限混合结构的静力和动力弹塑性分析

利用MIDAS Building分别对某钢-混凝土混合结构进行7度罕遇地震作用下的静力弹塑性Pushover分析和动力弹塑性时程分析,并对两者的结果进行对比分析,结果表明两种方法结构在罕遇地震作用下的结构地震响应基本趋势相同,结构能够满足"大震不倒"的设防要求,Y向抗震性能优于X向抗震性能,但与静力弹塑性分析相比,动力弹塑性时程分析的塑性铰分布更符合实际情况,因此动力弹塑性时程分析更能反映结构的破坏机制。     

复杂断面地下结构地震反应分析的整体式反应位移法

介绍地下结构抗震分析中常用的反应位移法存在的局限性,在借鉴反应位移法基本原理的基础上,提出一种适用于复杂断面地下结构地震反应分析的整体式反应位移法。从理论上论证该方法与反应位移法基本原理的一致性,详细介绍该方法的实施步骤与特点,给出地震作用的求解方法。该方法采用土-结构相互作用模型来直接反映土体与结构间的相互作用,避免了引入地基弹簧带来的计算量和计算误差。采用连续自由场土层模型来计算等效输入地震动荷载,概念明确、操作简单,能较好地适用于复杂断面地下结构的地震反应分析。结合实际工程与动力时程方法进行对比研究,结果表明,文中提出的整体式反应位移法是一个精度较高、计算简便、适用性很强的拟静力计算方法,可以用于地下结构的抗震分析与设计中。     

高层钢结构弹塑性抗震分析静动力综合法

现有的高层建筑结构罕遇地震分析方法可以归结为两大类,弹塑性动力时程分析方法和静力弹塑性分析方法。这两类方法各有其优点和不足。将动力和静力弹塑性分析方法结合起来,发挥各自的优势是改进高层建筑结构罕遇地震分析方法的一种思路。本文提出了一种可以应用于高阶振型和扭转效应不可忽略的高层钢结构罕遇地震分析方法———静动力综合法。该方法结合了动力弹塑性时程分析、高层建筑结构等效弹塑性层模型和静力推覆分析方法的优点。通过算例分析验证了静动力综合法的合理性和适用性,以及静力弹塑性分析方法在三维非对称结构中应用的可行性。     

Pushover分析的基本原理和设计方法

Pushover分析方法是一种将静力弹塑性分析与反应谱相结合、进行图解的计算方法;也是实现基于性能抗震设计的重要方法。本文阐述了Pushover分析的基本原理和方法,给出适合我国抗震规范、利用SAV2000程序进行Pushover分析的计算步骤和性能评价。可供某些结构在特定水平地震作用下进行结构弹塑性变形验算参考。     

某超限高层住宅结构设计

介绍了上海某幢超限高层住宅结构的抗震设计与分析。主楼地下3层、地上46层、高150m,设计采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,使用了PKPM和Etabs进行整体结构在小震作用下的弹性时程分析和罕遇地震作用下的静力弹塑性分析,采用EPDA进行弹塑性动力分析,各项计算指标均达到了规范的要求,结构设计和分析方法可供今后类似超限高层建筑和其他复杂结构设计参考。     

浅谈静力弹塑性分析及在MIDAS中的应用

总结了静力弹塑性分析（Pushover）的分析方法和实施步骤,并给出了一个12层钢筋混凝土剪力墙结构,运用MIDAS软件进行分析,结果表明静力弹塑性方法（Pushover）通过层间位移角、塑性铰分布等可以对结构的抗震性能进行综合评价,是一种方便有效的抗震分析方法。     

地铁地下结构抗震分析及设计中的几个关键问题

针对我国尚缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和专门的地铁结构抗震设计规范的现状,在分析目前我国地铁等地下结构抗震研究及设计方法的基础上,重点阐述了需要迫切解决的五个关键问题:合理的地下结构动力分析模型,高效的地下结构-地基系统动力相互作用问题分析方法,合理而实用的地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能评估方法,地铁地下结构抗震构造措施,地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施。这些问题的研究和解决将为地铁地下结构抗震设计规范或规程的制定奠定坚实的基础。     

地下结构地震反应的主要特征及规律

目前,有关地下结构地震反应特征的一些重要的规律性认识仍然缺乏严格的理论推断或认识欠深入。文章基于地下结构地震反应的二维动力有限元数值分析模型,定量分析了场地土、结构以及土-结构体系的动力特性和土-结构柔度比对地下结构地震反应的影响。结果表明,对于地下结构而言,土-结构体系的动力特性主要受控于场地土的动力特性,地下结构地震反应主要取决于场地土的动力特性或基岩地震运动引起的场地土的体积惯性力和土-结构柔度比;结构顶底板水平最大相对位移、关键构件截面弯矩随着土-结构柔度比分别单调减小和增大,结构关键构件截面的剪力、轴力值和土-结构接触面的最大平均剪力系数随着土-结构柔度比的增大变化较复杂。     

地下结构动土压力简化计算方法研究

基于波动力学理论,考虑土–结构动力相互作用、土介质特性及地震波的传播特性,提出了地震作用下地下结构的动土压力简化抗震设计方法。首先,将土–地下结构体系简化为单自由度的质量–弹簧–阻尼体系。其次,通过建立该体系的波动方程,并进行求解,将自由场响应换算为作用在结构上一点的动土压力,并结合结构周围土体的自由场响应分布特征,可得整个结构上的动土压力分布。最后,以振动台试验结果为基础进行了简化方法的验证,得出本文提出方法能够与试验结果吻合很好。该方法具有概念明确、计算简便、计算效率和精度高等特点,能够求解各类地下结构的地震反应,为地下结构的抗震设计提供了一种简单、实用的工具。     

地下结构横断面地震反应分析的反应位移法研究

 为研究地下结构横断面地震反应分析中常用的反应位移法的实用性,结合子结构法和土–结构动力相互作用法等理论对反应位移法的基本原理进行验证。介绍目前工程应用及规范规程中反应位移法的具体应用形式,对不同计算模型、地基弹簧系数计算方法进行分析。为比较不同形式反应位移法的有效性,以大开地铁车站地震反应为例,将不同形式反应位移法和土–结构动力相互作用法进行对比分析。结果表明,经典反应位移法更接近土–结构动力相互作用法的计算结果,是一个实用性较高的拟静力计算方法。     

Seismic design and analysis of underground structures

Underground facilities are an integral part of the infrastructure of modern society and are used for a wide range of applications, including subways and railways, highways, material storage, and sewage and water transport. Underground facilities built in areas subject to earthquake activity must withstand both seismic and static loading. Historically, underground facilities have experienced a lower rate of damage than surface structures. Nevertheless, some underground structures have experienced significant damage in recent large earthquakes, including the 1995 Kobe, Japan earthquake, the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake and the 1999 Kocaeli, Turkey earthquake. This report presents a summary of the current state of seismic analysis and design for underground structures. This report describes approaches used by engineers in quantifying the seismic effect on an underground structure. Deterministic and probabilistic seismic hazard analysis approaches are reviewed. The development of appropriate ground motion parameters, including peak accelerations and velocities, target response spectra, and ground motion time histories, is briefly described. In general, seismic design loads for underground structures are characterized in terms of the deformations and strains imposed on the structure by the surrounding ground, often due to the interaction between the two. In contrast, surface structures are designed for the inertial forces caused by ground accelerations. The simplest approach is to ignore the interaction of the underground structure with the surrounding ground. The free-field ground deformations due to a seismic event are estimated, and the underground structure is designed to accommodate these deformations. This approach is satisfactory when low levels of shaking are anticipated or the underground facility is in a stiff medium such as rock. Other approaches that account for the interaction between the structural supports and the surrounding ground are then described. In the pseudo-static analysis approach, the ground deformations are imposed as a static load and the soil-structure interaction does not include dynamic or wave propagation effects. In the dynamic analysis approach, a dynamic soil structure interaction is conducted using numerical analysis tools such as finite element or finite difference methods. The report discusses special design issues, including the design of tunnel segment joints and joints between tunnels and portal structures. Examples of seismic design used for underground structures are included in an appendix at the end of the report.     

土–地铁动力相互作用体系侧向变形特征研究

针对现有地下结构抗震分析方法用于地铁大型地下结构的可行性研究明显不足问题,根据中国抗震规范的相关规定设计了常见的3种场地类别,考虑输入地震动特性及其强度,通过84种有限元计算工况,分析了土–地铁地下结构非线性动力相互作用体系的侧向变形特征。结果表明,在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ3个场地类别条件下输入加速度峰值较大时(0.3g和0.4g),或者场地类别为Ⅳ类时即使输入很小地震动峰值加速度时,土与结构相互作用系数均小于1,即大型地铁地下结构侧向土体总是"推着"地下结构产生最大相对变形,此时地铁地下结构周围土层的大变形将对地下结构抗震造成不利的影响。反之,将会出现地铁地下车站结构侧向最大变形大于等代土体单元的侧向变形,即地下结构的动力变形将受到周围土层的约束作用,此时将对地下结构的抗震起到有利作用。同时,也给出了场地类别和输入地震动特性对土–地铁地下结构相互作用系数的影响规律。     

基于等效线性化的土–地下结构整体动力时程分析方法研究

地下结构抗震设计简化分析方法离不开场地地震反应分析,而频域内的等效线性化方法是一维土层地震反应分析的主流方法。在一维土层地震反应分析的等效线性化方法的基础上,提出了一种地下结构抗震设计的等效线性化分析方法,并给出场地材料参数的确定方法。将该方法应用于地铁车站的横断面抗震分析中,并与土体直接采用非线性的Davidenkov模型进行的动力时程分析方法对比,两者计算误差满足工程需要的精度要求。此方法兼具场地等效线性化方法和地下结构动力时程分析方法的双重优势,可以作为一种动力时程分析方法运用于地铁车站等地下结构的抗震设计中。     

浅埋地下结构耐震时程分析法最优持时研究

为研究持时对地下结构耐震时程分析结果的影响,选取II类和III类工程场地中典型的两层三跨地铁车站为原型,以基岩场地地震动均值反应谱为目标谱,构造了6种典型持时的耐震加速度时程曲线作为输入。通过将耐震分析结果与增量动力分析基准结果对比表明,耐震加速度时程曲线的持时对分析结果影响显著。根据目标时间点与地震动能量指标阿里亚斯强度值的变化规律,给出了最优目标时间点的确定公式并进行验证。由研究结果可知,对于II和III类工程场地,耐震时程曲线较优持时分别为30s和45s;给出的目标时间点的确定公式对上述两类场地中的地下结构抗震性能评价具有一定适用性,当构造的耐震时程曲线在目标时间区段内的能量值与实际地震动的能量值较为接近时,耐震时程分析结果最为精确。     

反应位移法在复杂地下结构抗震中的应用

针对我国尚缺少完善的地下结构抗震分析方法和专门的有关复杂地下结构抗震设计规范的现状,在总结目前国内外地下结构抗震计算方法的基础上,采用反应位移法对某复杂地下大空间结构进行抗震设计与分析。同时,分析中还建立了该复杂地下结构的三维精细化有限元模型,采用动力时程分析给出结构的基准地震响应,从而评价反应位移法用于复杂地下结构抗震设计的适用性。分析结果表明,对于不同的计算工况反应位移法的计算结果与动力时程分析均基本一致,说明反应位移法可用于复杂地下结构的抗震设计。研究结论可为今后类似地下工程的抗震设计提供指导。     

地下结构纵向抗震动力可靠度分析

将沉埋隧道地震反应分析的数学模型应用于地下结构随机地震响应分析,阐述了采用动力分析方法求结构体系的脉冲响应函数的原理和方法,采用傅立叶变换原理和随机振动理论,建立了地下结构纵向随机地震响应统计特征的数学表达式。将结构随机地震响应看成是1个泊松过程,建立了采用首次超越破坏理论计算地下结构抗震可靠度的数学公式。以南京长江越江隧道初步设计方案(沉管段)为例,计算了其在高斯平稳随机过程地震动作用下的动力反应均方根值和纵向抗震动力可靠度。为地下结构整体随机地震反应分析及动力可靠度的研究提供了一种分析途径,为以可靠性理论为基础的地下结构抗震概率设计规范的制订奠定了理论基础。